Mechatronika – pojem a popis, historie a vývoj

Mechatronika je inženýrský obor, který představuje součinnou kombinaci strojírenství (mechaniky), elektroniky a výpočetní techniky. Jeho předmětem je studium automatů z inženýrského pohledu, které slouží k řízení vyspělých hybridních systémů. Zahrnuje matematiku, mechaniku, termodynamiku, teorii obvodů, elektroniku, telekomunikaci, teorii řízení, zpracování signálu, energetiku a robotiku.
Jelikož se jedná o mezioborovou oblast, je mechatronika umístěna mezi mechaniku, elektroniku a výpočetní techniku, které v celku umožňují vývoj jednodušších, ekonomičtějších, spolehlivějších a víceúčelových systémů.
 
Definice mechatroniky: Jelikož se jedná o poměrně mladý obor, který je stále ve vývoji, neexistuje v současné době jeho jednotné vymezení. Prozatím jsou k dispozici tři základní přístupy k definici mechatroniky:
  • Mechatronika je synergetickou integrací strojního inženýrství s elektronikou a inteligentním počítačovým řízením, což spočívá v návrhu, tvorbě výrobků a navrhování procesů. Synergetika jako pojem zde zdůrazňuje skutečnost, že mechatronika poskytuje vyšší kvalitu výrobku, než pouhý součet jednotlivých částí. Integrace návrhů vede k produktu zlepšujícího předchozí úrovně výkonu tím, že je přidána nová dimenze funkčnosti.
  • Návrh a výroba mechatronického produktu a zařízení mají jak mechanickou funkčnost, tak integrované algoritmické zařízení. Toto vymezení klade důraz na rozdíl mezi mechatronikou a ostatními příbuznými obory, např. informační technologií nebo elektromechanického navrhování. Na rozdíl od pouhého zpracování dat (viz. informační technologie) plní mechatronické výrobky také mechanické funkce, a na rozdíl od analogových regulátorů typu PID (viz Elektromechanické návrhy) jsou algoritmicky řízeny.
  • Mechatronika zahrnuje navrhování inteligentních strojů, důraz při výrobě je tedy kladen na jistou míru inteligence – programovatelnost, samoregulaci, autodiagnostiku, komunikaci, samodiagnostiku, samoopravitelnost, učení a samoorganizaci.

 

Podstata mechatroniky spočívá ve skutečnosti, že mezi výše uvedenými definicemi neexistuje shoda. Mnoho autorů a odborníků klasifikuje mechatronické systémy následujícím způsobem:
 
Nahrazování mechanických funkcí:
 
  • K tradičním nástrojům je přiinstalováno elektronické zařízení, např. k CNC obráběcím strojům je přidáno elektronické zapalování spalovacích motorů.
  • Některé tradiční mechanické funkce stroje jsou částečně nahrazeny elektronickým zařízením, např. mechanická převodovka u tradičního šicího stroje je nahrazena krokovými motory.
  • Některé tradiční mechanické funkce jsou zcela nahrazeny elektronickým konceptem, např. mechanický typ pokladen kompletně nahradily elektronické kalkulátory.
 
K náhradám mechanických funkcí se často používá mikroprocesor, který se vyznačuje vyšším výpočetním výkonem a také vykonává příslušné funkce podle vyměnitelného programu. U mechatronických produktů se tak zvyšuje flexibilita, multifunkčnost, inteligence, ale zároveň také složitost v souvislosti s ovládáním. Inteligence výrobku spočívá v programovatelnosti, komunikaci, samoregulaci, samodiagnostice, samoopravitelnosti, přizpůsobení, učení a autoorganizaci. Inteligenci mechatronického výrobku můžeme vidět např. u tiskárny při změnách písma, u elektronického šicího stroje v programování stehu, u kopírek v komunikaci stran počtu kopií a formátu papíru nebo v diagnostice, pokud v přístroji uvízne papír, apod.
 
Mechatronika v ostatních oborech:
 
K jejímu rychlému vývoji došlo kvůli levným, masově vyráběným integrovaným obvodům, které představují atraktivní náhradu mechanických funkcí, dále vyvinutím mikroprocesoru jako jednoduchého, přesného a levného řízení mechanické soustavy, a nakonec kvůli spolehlivosti elektronických komponent, které odolávají vibracím, fyzikálním, tepelným a jiným vlivům. Výše uvedené úspěchy v mechatronice přirozeně ovlivnily vývoj dalších oborů a technologií:
  •  Využití speciálních integrovaných obvodů, které mohou být navrhovány bez speciálních znalostí, kdy na jednom čipu je mikroprocesor a algoritmus řízení.
  •  Inteligentní výkonná elektronika na jednom čipu, jehož výhodou je malý rozměr, nízká hmotnost, vysoká spolehlivost a diagnostika výkonu.
  • Výroba a použití další mikromechanické technologie s distribuovanou inteligencí, spojením komponentů výkonem, signály a datovou komunikací, (např. miniaturní převodovky, turbíny nebo roboti k operacím uvnitř lidského těla), jejich snadná komunikace s uživatelem, shoda se současným životním stylem a z toho důvodu také vysoká prodejnost.
 
Základními předpoklady budoucnosti mechatronického inženýrství jsou:
  • Interdisciplinárnost (znalost výrobků, výroby a širokého rozsahu technologií)
  • Systémové myšlení (kombinace nepravděpodobných technologií pro vytvoření optimálního produktu)
  • Týmová práce (nezbytně nutná pro spolupráci inženýrů z různých oborů)
  • Kreativita (nezbytná odvaha k experimentům s dříve neznámými technologickými kombinacemi)
  • Obchodní hledisko (kvůli konkurenci)

Historie: Obor mechatroniky se začal rozvíjet v Japonsku v 70. letech minulého století. Pojem se poprvé veřejně objevil na titulní straně v časopise o japonském průmyslu v roce 1976, kdy jej použil Tetsuro Mori, inženýr společnosti Yaskawa, v roce 1969. Pojem obsahuje termíny „Mechanical systems“ - elektromechanické systémy a „Electronics“ - řízení automatizace, tedy strojírenství a elektroniku.

 

Japonci začali vytvářet způsoby navrhování výrobků tzv. směrem „shora dolů“, což znamená od představy o výrobku k detailním konturám jednotlivých částí. Vznikl tak obor integrující především znalosti mechaniky, elektrotechniky a informační technologie. Avšak využívány jsou také znalosti z fyzikálního složení a vlastností pevných látek, nanotechnologií, teorií řízení, apod.
Japonské ekonomické úspěchy zvýrazněné novým oborem okamžitě upoutaly zájem dalších vyspělých průmyslových zemí – USA, Velkou Británii, Německo, Francii a Finsko. U nás se mechatronika poprvé objevila v roce 1985, především v oblasti lineárních pohonů s kmitavým pohybem, a to v koncernovém podniku Škoda Plzeň a VUSE Běchovice. Ke škodě dalšího vývoje mechatronického oboru u nás podnik Škoda Plzeň již neexistuje. Obor se však rozvíjí na technicky orientovaných vysokých školách (ČVUT Praha, VUT Brno, ZČU Plzeň, TU VŠ Bánská Ostrava, TU Liberec) a začíná pronikat i do učebních osnov středních škol.
 
Vývoj: Mechatronika představuje obor, který v sobě integruje mechaniku, elektrotechniku a elektroniku s inteligentním počítačovým řízením. Jako samostatný vědní obor vznikla z praktických důvodů a požadavků moderní doby, inspirovaná japonským vzorem. V současném inženýrství již téměř neexistuje výrobek bez základní elektromechanické struktury a elektronické řídící soustavy. Proto se začalo pracovat na vývoji produktu s prvky inteligentního chování, schopného reagovat na změny prostředí, detekce kritického provozního stavu a adekvátní odezvy na dynamicky se měnící podmínky vnějšího prostředí. Novou vznikající specializací mechatroniky je biomechatronika, která spojuje stroje a člověka. Jedná se o formy snímatelných prostředků, jako je např. exoskeleton, což jsou bionické konstrukce, ovládané přímo z mozku člověka (více zde). 
Vývoj mechatroniky dosud proběhl v následujících třech obdobích: 
  • První etapa: Vývoj je spojen s návrhem a výrobou NC-obráběcích strojů a později s roboty. Toto období charakterizuje strojní zařízení s řízeným mechanismem a elektronickými a mikroprocesorovými obvody. Jednalo se o řešení problému velikosti a spolehlivosti řídicího systému, což vedlo k použití mikroprocesorů. První úspěšné řešení na bázi 8 bitového procesoru bylo realizováno v r. 1974, což mělo za následek poklesu velikosti a ceny řídicího systému NC stroje. Naopak prudce vzrostla možnost doplnění dalších funkcí a jeho spolehlivosti, neboť bylo možné instalovat řídicí systém přímo do stroje. Jakmile se tento nový typ vestavěného řídicího systému stal běžným, docházelo k novému pojmosloví – elektromechanický stroj, mechano-elektronický stroj, až došlo ke zkrácení těchto složených slovních útvarů na jednoduchý pojem mechatronika. Základní význam mechatronického návrhu spočívá ve snížení jeho hmotnosti, ceny a zvýšení spolehlivosti a funkčnosti. Vestavěný procesor disponuje přebytkem výkonu, který je možné využít pro další funkce výrobku. Z toho důvodu došlo k rychlému rozšíření návrhového konceptu mechatroniky po celém světě, nejznámější je výroba robotů v Japonsku.
  • Druhá etapa: Koncept mechatroniky je v 80. letech minulého století rozšířen a úspěšně využit k navrhování série výrobků širšího rozsahu, než pouze pro elektronicky řízené mechanismy NC strojů a robotů. Došlo k zobecnění pojmu, neboť mechatronika již označuje širší oblast, která zahrnuje mechatroniku a elektroniku.
  • Třetí etapa: Mechatronika se koncem 80. let koncipuje jako vědecká disciplína a současně začíná být aplikována do praxe. Japonské výrobky mají na světových trzích takový úspěch, že se se vlády v Evropě a USA začínají mechatronikou vážně zabývat. Evropské univerzity zavádějí výuku nového technického oboru, vznikají výzkumné programy, které financují vlády i obchodní firmy, pořádají se odborné konference a rovněž začínají vycházet specializovaná periodika, zabývající se mechatronikou.

Příklady mechatronických výrobků:
  • stolní ventilátor (čidla na teplotu a přítomnost osob, mikroprocesor – adaptivní, inteligentní zařízení se schopností úspory energie)
  • automatický fotoaparát (automatické nastavení zaostření, clony, času, blesku, expozice - cíle, vzdálenosti objektu, apod.)
  • elektronický šicí stroj (mnohonásobně zvýšené množství stehů, možnost programování nových stehů, vyšívání, apod.)
  • elektronicky řízené letadlo s tzv. „automatickým pilotem“ (vysoká manévrovatelnost, mnoho stupňů volnosti a řiditelnosti, které jsou na sobě nezávislé a fungují na bázi počítače)
  • elektronický jeřáb, tzv. nekývající se jeřáb (mikroprocesorové zařízení zajišťuje tlumení kývání jeřábu a tím pádem snadnější manipulaci s přepravou kontejnerů a vyššího pracovního výkonu)
  • aktivně tlumený měřící stůl (mikroprocesorové zařízení zajišťuje spolehlivější izolaci vibrací a stabilitu teploty)
Perspektivy mechatroniky:
Není možné plně charakterizovat mechatroniku, jelikož tento obor se neustále rozvíjí a postupně zahrnuje další a další perspektivy. Určitě ji nelze nazvat jen jako chytrou kombinaci existujících technologií, její plná potence se rozvine až s paralelní změnou nových pohledů na její problematiku. Díky synergii, která vzniká kombinací technologií, je možné realizovat funkce, které v současné době znázorňují zatím jen fantaskní nápady ve sci-fi filmech. Tato nevídaná řešení předpokládají práci návrháře s řešením bez předchozích vzorů.
 
Základní charakteristické rysy mechatroniky jsou dva:
  1. Návrh produktu se nevztahuje k dostupným výrobním technologiím -  je vázán na průzkum trhu a volbu vlastností výrobku, které jej činí úspěšným (jednoduchost ovládání, inteligence – samoregulace, samoopravitelnost, aj.)
  2. Orientace na samotný výrobek - mnoho mechatronických výrobků vzniklo způsobem, že samy vytvořily ve společnosti určitý životní styl, např. walkman.